Вскрытие и разработка месторождений полезных ископаемых

Вскрытие месторождения полезного ископаемого, проведение капитальных горных выработок, открывающих доступ с поверхности ко всему месторождению или его части и обеспечивающих возможность проведения подготовительных горных выработок, необходимых для обслуживания добычных забоев.

  Главные цели В. м. — создание транспортных связей между очистными забоями (местом добычи полезного ископаемого) и пунктом приёма его на поверхности, обеспечение условий для безопасного перемещения людей; подача чистого воздуха к рабочим участкам (в шахтах).

  Вскрытие для подземной разработки месторождений. Капитальные вскрывающие выработки делятся на главные и вспомогательные. К главным относят выработки, имеющие непосредственный выход на поверхность: вертикальные и наклонные стволы шахтные и штольни; к вспомогательным — квершлаги, гезенки, бремсберги и уклоны. Подготовительные выработки — это главным образом штреки, пройденные по полезному ископаемому. Способы В. м. весьма разнообразны и различаются по роду главных вскрывающих выработок, по их расположению относительно пластов или рудных тел, по наличию вспомогательных вскрывающих выработок, по числу подземных транспортных горизонтов. Способ В. м. зависит от рельефа местности, ценности полезного ископаемого, формы, размеров и глубины его залегания, мощности и угла падения пластов или рудных тел, их числа и расстояния между ними и других факторов. При выборе способа вскрытия влияние перечисленных выше геологических и горнотехнических факторов учитывается комплексно. К важнейшим из них следует отнести: минимальные первоначальные капитальные затраты и сроки строительства шахты; концентрацию производства при условии максимального увеличения добычи с очистного забоя; концентрацию добычи шахты на ограниченном числе одновременно разрабатываемых пластов; сокращение протяжённости поддерживаемых горных выработок путём интенсификации очистных работ и периодического обновления горного хозяйства шахты за счёт подготовки новых горизонтов или их реконструкции. В. м. вертикальными стволами является универсальным. Проходят не менее двух стволов (два безопасных выхода из шахты на поверхность), один из которых служит для подачи свежего воздуха в шахту, а второй — для отвода воздуха на поверхность.

  При вскрытии угольных месторождений находит широкое применение схема (рис. 1), по которой стволы 1, 2 проводят на полную проектную глубину; около них сооружают выработки откаточного горизонта (околоствольный двор, квершлаг 3, главные штреки 4). Вверх по полезному ископаемому проводят комплект наклонных капитальных выработок (бремсберг 5 с ходками), а от них — штреки: откаточный 6 и вентиляционный 7. Между ними располагают длинные очистные забои, которые оборудуют механизированными комплексами для добычи полезного ископаемого. У верхней границы месторождения сооружают выработки вентиляционного горизонта. Уголь из очистного забоя транспортируется по штреку 6, бремсбергу 5, квершлагу 3 и через один из стволов выдаётся на поверхность.

  Рудные месторождения обычно отличаются непостоянством мощности и углов падения рудных тел, наличием большого числа нарушений, незначительными размерами по длине, но с большим распространением в глубину и пр. Поэтому вскрытие их осуществляется вертикальными стволами и квершлагами (рис. 2), проходимыми последовательно, по мере углубления стволов. Стволы 1 для подъёма полезного ископаемого располагают примерно в средней части месторождения, а стволы 2 для вентиляции — на флангах.

  При добыче полезного ископаемого происходит обрушение горных пород и опускание вышележащих толщ. Поэтому при В. м. крутых и наклонных шахтные стволы проходят в породах лежачего бока (см. Боковые породы) вне зоны сдвижения с тем, чтобы избежать деформации стволов. Кроме того, это исключает потери ценных руд в охранных целиках, необходимых для охраны стволов. Наклонными стволами вскрывают обычно обособленные пласты или рудные тела при сравнительно небольшой глубине их залегания. Стволы проходят под углом до 18° и при вскрытии угольных пластов располагают по полезному ископаемому, а рудных тел — в пустых породах лежачего бока. Первоначально наклонные стволы вскрывают запасы верхнего горизонта; по мере их отработки стволы углубляют до следующего горизонта (рис. 3) и т. д.

  В. м. с помощью штолен производят при сильно расчленённом рельефе местности, когда применение вертикальных или наклонных стволов технически невозможно или экономически нецелесообразно. В зависимости от расположения месторождения по отношению к горному склону штольни проводят по полезному ископаемому или по пустым породам. Возможно сочетание главных вскрывающих выработок, например вертикальных и наклонных стволов (комбинированный способ вскрытия). Наклонный ствол в этом случае используется для конвейерного транспорта полезного ископаемого на поверхность, а вертикальный — для вспомогательных целей.

  Вскрытие для открытой разработки месторождений включает проведение наклонных (капитальных) открытых выработок с поперечным сечением ступенчатой формы или в виде трапеции (траншей) или треугольника (полутраншей) с поверхности земли или от разрабатываемой части карьера к вновь создаваемым рабочим горизонтам. Непосредственным продолжением капитальной траншеи является горизонтальная выработка с трапецеидальным (треугольным) поперечным сечением — разрезная траншея (полутраншея), проводимая для создания первоначального фронта горных работ.

  Определяющими элементами траншеи являются конечная её глубина, продольный уклон подошвы, ширина основания, длина, углы откосов сортов. Глубина капитальных траншей равна высоте одного или нескольких уступов. На подошве траншеи размещаются транспортные коммуникации и ширина основания траншей определяется габаритами транспортных сосудов (например, думпкаров, автосамосвалов). Продольный уклон наклонных капитальных траншей, предназначенный для железнодорожного или автомобильного транспорта, в большинстве случаев не превышает соответственно 40 и 80‰. Крутые траншеи для конвейеров имеют уклон до 18°, а для скипов — до 45°. Если направление перемещения горных пород (грузопотоков) из карьера разное, каждый уступ может вскрываться отдельной капитальной траншеей. Групповые траншеи применяются для разделения грузопотоков вскрышных пород и полезного ископаемого. Внешними стационарными траншеями вскрывают карьеры, разрабатывающие горизонтальные и пологие залежи. В. м. скользящими съездами позволяет уменьшить объём горных работ в период строительства карьера. Скользящими съездами вскрывают обычно 2—4 нижних рабочих уступа при разработке крутопадающих месторождений. В. м. внутренними капитальными траншеями осуществляют при разработке наклонных залежей полезного ископаемого (до 27—30°). Трасса системы капитальных траншей (пространственное положение и направление продольной оси траншей) может быть простой, если траншеи расположены на одном борту карьера и направление движения транспортных средств не изменяется. Сложная трасса состоит из двух или нескольких участков различного направления, соединённых между собой посредством тупиков (при железнодорожном транспорте) или петель малого радиуса (обычно при автотранспорте). Спиральная трасса проходит по всем бортам карьера, опоясывая его один или несколько раз. Часто 2—3 верхних уступа карьера вскрывают внешними траншеями, а нижележащие уступы — внутренними капитальными. Иногда карьеры вскрывают подземными выработками — наклонными и вертикальными стволами со штольнями или тоннелями.

  Выбор рационального способа В. м. производится в период проектирования горного предприятия и является сложной инженерной задачей в силу специфики горного производства: нестабильность производственных условий (изменчивость природных факторов); разбросанность рабочих мест и их непрерывное перемещение; необходимость постоянного воспроизводства выбывающих (отработанных) очистных забоев.

  При проектировании, кроме классического математико-аналитического, применяется метод комплексной оптимизации проектных решений, при котором разрабатывается несколько вариантов В. м. с последующим составлением экономико-математической модели шахты (карьера). При последующем решении на ЭВМ отыскивается наилучший вариант. О В. м. природного газа, нефти, торфа см. в ст. Газы природные горючие, Нефть, Торф.

  Лит.: Шешко Е. Ф., Открытая разработка месторождений полезных ископаемых, 3 изд., М., 1957; Агошков М. И., Малахов Г. М., Подземная разработка рудных месторождений, М., 1966; Современные методы проектирования угольных шахт, М., 1968; Килячков А. П., Вскрытие и системы разработки угольных месторождений, 3 изд., М., 1968; Ржевский В. В., Технология и комплексная механизация открытых горных работ, М., 1968.

  А. П. Килячков, В. В. Ржевский, В. В. Истомин.

Рис. 2. Вскрытие крутого рудного тела вертикальными стволами и этажными квершлагами.

Рис. 3. Вскрытие пласта наклонными стволами: 1 — наклонные стволы; 2 — штреки; 3 — очистные забои; 4 — обрушенные породы.

Рис. 1. Вскрытие свиты пологих угольных пластов вертикальными стволами и капитальным квершлагом.

Оглавление

Исходные положения. После того как разведочные работы дали возможность определить запасы полезного ископаемого и установить целесообразность его разработки, приступают к проектированию горного предприятия. Выбор между подземным и открытым способами разработки разведанного месторождения является одним из первых решений проектантов. На этом вопросе остановимся ниже при описании открытых работ. При подземной разработке проектирование шахты начинается с решения комплекса вопросов, к основным из которых относятся: определение годовой производственной мощности шахты, целесообразных размеров шахтного поля, высоты этажа (при так называемой «этажной» разработке) и выбор рациональной схемы вскрытия.
Выбор годовой производственной мощности шахты является весьма важным вопросом проектирования, так как от ее величины зависят объем и сложность поверхностных и подземных сооружений, размеры и оборудование выработок вскрытия и подготовки, выбор комплекса горных машин, электроснабжение и т. д. Чем выше производственная мощность шахты, тем больше капиталовложения на ее строительство. При ограниченных запасах месторождения завышение производственной мощности приводит к резкому увеличению себестоимости добычи полезного ископаемого за счет погашения капитальных затрат.
Как правило, шахты небольшой производственной мощности имеют меньшие по сравнению с крупными шахтами сроки существования. При разработке месторождений с «ограниченными» и «неограниченными» запасами сроки службы шахт изменяются в широких пределах — от 3—5 до многих десятков лет. Срок существования крупных современных рудников, производственная мощность которых исчисляется миллионами тонн, превышает 50—60 лет.
Формы шахтных полей зависят от форм залегания месторождения; для пластовых месторождений шахтным полям по возможности придают форму прямоугольников, вытянутых по простиранию. Размер шахтных полей устанавливают исходя из технико-экономической целесообразности с учетом геологических и топографических условий. При разработке рудных месторождений размеры шахтных полей часто ограничиваются размерами месторождения. Когда естественные ограничения размеров шахтных полей отсутствуют, длину их по простиранию для рудных месторождений принимают до 1—2 км, а для угольных месторождений — до 5—7 км и более; вкрест простирания ширина шахтных полей у первых составляет 0,5—1 км, а у вторых — 1,5—3 км. При крутопадающих рудных залежах разделение их на шахтные поля по падению обычно не производится; рудные залежи с небольшими углами залегания и угольные месторождения разделяют на шахтные поля и по падению, причем ширину последних принимают в пределах 1—3 км.
Россыпные месторождения разрабатывают с разделением на шахтные поля по простиранию (вдоль по тальвегу долины) длиной 0,4—1 км, шириной, равной ширине россыпи. Разработку с целью дренажа воды начинают с шахтного поля, расположенного в нижней части долины.

Для удобства, эффективности и установления последовательности выемки полезного ископаемого шахтные поля, в свою очередь, делят на части — этажи и панели (рис. 171). На этажи разделяют шахтные поля при крутом или наклонном падении пластов угля или рудных залежей. Этажом называют часть шахтного поля, ограниченную по падению откаточными штреками, а по простиранию — границами шахтного поля. В процессе разработки запасов этажа верхний штрек используется в качестве вентиляционной выработки. Расстояние между нижним и верхним штреками, измеряемое по вертикали или по падению разрабатываемого месторождения, называют соответственно высотой или «наклонной высотой» этажа. Отметив некоторую условность термина «наклонная высота», укажем, что этим понятием удобно пользоваться применительно к угольным месторождениям.
Для рудных месторождений высоту этажа принимают от 30—40 до 80 м и более, иногда она достигает 200—300 м.
При разработке угольных месторождений наклонную высоту этажа принимают чаще всего в пределах от 80 до 200 м.
При панельной подготовке шахтное поле пологопадающего или горизонтального месторождения делят на части главными откаточными и вентиляционными штреками, пройденными по простиранию, каждая из которых делится на панели панельными штреками.
Основные способы вскрытия месторождений. Огромное разнообразие геологических, топографических и горнотехнических особенностей, встречаемых при разработке месторождений, приводит к тому, что в практике находят применение различные способы вскрытия. Однако в каждой из схем вскрытия имеется шахтный (вертикальный или наклонный) ствол или штольня, так как эти выработки, имеющие непосредственный выход на земную поверхность, предназначены для обслуживания подземных горных работ. Помимо этих выработок, при вскрытии используют слепые стволы, квершлаги, гезенки, бремсберги, уклоны.
В соответствии с правилами безопасности при разработке месторождений из подземных выработок должно быть не менее двух независимых выходов на земную поверхность. Поэтому кроме главных вскрывающих выработок (стволов, штолен), предназначенных для выдачи на поверхность полезного ископаемого, устраивают вспомогательные — для прочих транспортных операций или для вентиляции (в последнем случае эти выработки называют вентиляционными).
Рассмотрим наиболее типичные способы вскрытия, пользуясь схемами, на которых показано расположение главных вскрывающих выработок преимущественно вкрест простирания месторождений.
Вскрытие вертикальными стволами. На рис. 172, а представлена схема вскрытия вертикальным стволом пласта (залежи), угол падения которого не превышает 2—3°.
Сохранность ствола шахты и поверхностного комплекса обеспечивается при разработке месторождения оставлением части полезного ископаемого в охранном целике, тем более значительной чем глубже находится пласт (залежь) и чем больше его мощность. В связи с изложенным рассматриваемую схему вскрытия стараются не применять для месторождений с ограниченными запасами (особенно при небольших размерах по простиранию и вкрест простирания) и ценным полезным ископаемым. Схема применяется для вскрытия угольных и других пластовых месторождений, рассыпей и в некоторых случаях для пластообразных рудных залежей.

На рис. 172, б изображена схема вскрытия вертикальным стволом с бремсбергом и уклоном. Часть шахтного поля, расположенная выше пересечения месторождения стволом (горизонта околоствольного двора), вскрывается капитальным бремсбергом, а ниже eгo — капитальным уклоном. Этот вариант вскрытия пригоден для пологопадающих месторождений; необходимость оставления более или менее значительного количества полезного ископаемого в охранных целиках ограничивает область его применения, главным образом, пластовыми угольными месторождениями.
Для наклоннопадающих месторождений может быть применена схема вскрытия (рис. 172, в), состоящая из ствола шахты, пересекающего иоле, и квершлагов. Квершлаги проводят для вскрытия каждого или группы этажей (групповые квершлаги). Необходимость оставления охранных целиков приводит к тому, что, имея довольно широкое распространение в угольной промышленности, этот вариант вскрытия сравнительно редко применяют при разработкe рудных месторождений небольшой мощности, залегающих под небольшим углом.
Расположение ствола вне зоны сдвижения пород, образующейся в результате выемки полезного ископаемого, позволяет вести разработку месторождения без оставления охранного целика. При таком расположении ствола необходимыми дополнительными выработками являются квершлаги.
Наиболее распространенным вариантом вскрытия крутопадающих рудных и мощных угольных месторождений является вскрытие вертикальным стволом с квершлагами, расположенным в лежачем боку месторождения за зоной сдвижения пород (рис. 172, г).

Вскрытие наклонными стволами. Представленную на рис. 173, а схему применяют для вскрытия пологопадающих угольных и реже рудных месторождений. Условиями, благоприятствующими для этого варианта, являются небольшая мощность месторождения, выход его на земную поверхность или малая толща перекрывающих наносов. Ствол шахты проходят по полезному ископаемому, по обе стороны от ствола оставляют охранные целики. При вскрытии горизонтальных или пологих угольных пластов, залегающих на небольших глубинах, находит применение схема, изображенная на рис. 173, б. Ствол шахты проходят в толще пород, перекрывающих месторождение под углом 15—18°, и оборудуют конвейерным подъемом. Если ствол шахты располагают в зоне сдвижения пород, под ним оставляют охранный целик. Такую схему вскрытия применяют и при вскрытии россыпных месторождений. Представленную на рис. 173, в схему вскрытия наклонным стволом, пройденным в лежачем боку месторождения зa зоной сдвижения пород, применяют для наклонных и пологопадающих рудных залежей и мощных угольных пластов.
В связи с эффективностью транспортировки (подъема) полезного ископаемого конвейерами и автомашинами применение наклонных стволов и уклонов стало целесообразным и для крутопадающих месторождений. Одна из схем вскрытия месторождения уклонами при использовании автотранспорта для выдачи полезного ископаемого представлена на рис. 174. Наклон горных выработок принимается равным от 1:10 до 1:8.

Вскрытие штольням и. При гористом рельефе земной поверхности весьма целесообразным может оказаться вскрытие штольнями (рис. 175). К преимуществам штольневых вариантов вскрытия относятся: меньшие затраты на проведение 1 м вскрывающей выработки, значительно большие скорости ее проведения, отсутствие расходов по подъему и водоотливу, упрощенный комплекс поверхностных сооружений и др. Необходимость оставления охранных целиков определяется в зависимости от места расположения штольни по отношению к месторождению и угла падения последнего. Непосредственно штольней могут быть вскрыты запасы, расположенные выше уровня этой выработки.
Схемы совместного и комбинированного вскрытия. Если месторождение представлено свитой угольных пластов или группой совместно залегающих рудных тел, то пласты или жилы можно вскрыть отдельно друг от друга (независимое вскрытие) или совместно с помощью общих горных выработок, составляющих одну схему (совместное или групповое вскрытие). Совместное вскрытие становится целесообразным при относительно небольших расстояниях между пластами (рудными телами) (рис. 176).

В ряде случаев в связи с особенностями залегания месторождения или топографии рельефа земной поверхности пользуются комбинированными вариантами вскрытия, характеризующимися одновременным применением, например, вертикальных и наклонных стволов, штолен и слепых стволов. Комбинированные варианты применяют для вскрытия отдельных пластов (рудных тел) и их групп; при вскрытии первых комбинированные варианты применяют обычно для месторождений, распространяющихся на значительную глубину или, например, меняющих с глубиной угол падения.
Выбор способа вскрытия. Правильный выбор способа вскрытия имеет исключительно важное значение. Ошибки, допущенные при решении этого вопроса, снижают эффективность работы горного предприятия и трудно исправимы в (процессе эксплуатации месторождения. Следует сказать, что рассмотренные выше схемы вскрытия не исчерпывают всего их разнообразия, а являются лишь наиболее распространенными. Выбор наиболее целесообразного варианта вскрытия производится одновременно с решением вопроса о месте заложения на земной поверхности главных вскрывающих выработок.
Местоположение главной вскрывающей выработки определяют исходя из минимальной работы подземного транспорта в течение всего срока отработки вскрытых запасов и с учетом ряда факторов: топографии земной поверхности, удобства размещения поверхностных сооружений и подъездных путей, геологических и гидрогеологических условий проходки и эксплуатации выработок вскрытия. Расположение главных вскрывающих выработок увязывается с расположением вентиляционных выработок.
Топография местности и условия залегания месторождений допускают иногда возможность применения различных схем вскрытия; при тщательном сравнении разных вариантов принимается тот, при котором обеспечивается наибольшая безопасность работ и достигаются наименьшие капитальные и эксплуатационные затраты, приходящиеся на 1 т добываемого полезного ископаемого.